初中科学/3.2 光影变幻与日月食

还记得小时候我们常玩的“踩影子”游戏吧？有时我们在阳光下玩这个游戏，有时在灯光下。在夜晚的灯光下，我们会发现影子的方向变来变去、长度变大变小、颜色变浓变淡，真有意思！那影子（Shadow）又是怎么回事呢？（图3-9）

	这节课你将学到：
光是什么？它是怎么发出的？光怎样传播？光传播有多快？什么是小孔成像为什么会有影子？影子和光源存在什么关系？为什么会有日食和月食？日食和月食分为哪几类？如何才能正确观测日食？

我们上一节提到了“光”，光（Light）是什么？光的传播有多快？你知道吗？

有的时候，太阳和月亮会突然消失不见，那种情况分别是日食（Solar eclipse）和月食（Lunar eclipse）。这又是怎么回事？（图3-10）

原来，这些都和光现象有关。让我们走进那光影变幻的世界，去探索光的奥秘吧！

光的产生与传播

图3-12：光子从激光的相干光束中射出。

光是什么？通俗地说，光是能量的一种表现形式，这种能量能够激起人的视觉。人们认为光既有粒子（光子（ Photon）（图3-12））的特性也有波的特性。

能够发出光的物体叫光源（Light source）。常见的光源有太阳、蜡烛、萤火虫、电灯等。

光不需要任何介质就可以传播，因此光既是在真空中也能传播。一般情况下光的传播路径总是直线，但如果介质改变或者受到引力等的影响光的传播路径也会改变。光只能穿过透明物质或半透明物质，不能穿过不透明物质。

图3-14：蜡烛。
图3-15：萤火虫。
图3-16：电灯。

图3-17：阳光要花费大约8分19秒才能到地球。

图3-18：小孔成像示意图。

资料阅读
人们测定光的传播速度的历史：早期科学家认为光的传播速度是无限的。伽利略的办法：他认为光速有限。1638年，他请二个人提灯笼各爬上相距仅约一公里的山上，第一个人掀开灯笼，并开始计时，对面山上的人看见亮光后掀开灯笼，第一个人看见亮光后，停止计时。这是史上著名的测量光速的掩灯方案，但由于光速实在太快，所以实验没有成功。奥勒·罗默的办法：1676年，奥勒·罗默使用望远镜研究木星的卫星艾欧的运动，第一次定量的估计出光速。它认为光速是地球的轨道速度的9300倍，与现在的数值10100倍比较，相差无几。阿曼德·斐索的办法：1849年，用旋转齿轮法求得光速是 3.153×10⁸ m/s。他是第一位用实验方法，测定地面光速的实验者。实验方法大致如下：光从半镀银面反射后，经高速旋转的齿轮投向反射镜，再沿原路返回。如果齿轮转过一齿所需的时间，正好与光往返的时间相等，就可透过半镀银面观测到光，从而根据齿轮的转速计算出光速。第十七届国际计量大会上的决定：1983年第十七届国际计量大会上作出决定，将真空中的光速299 792 458 m/s定为精确值。按照这样计算，阳光来到地球大约需要8分19秒。（图3-17）

真空中光的传播速度为299 792 458 m/s，这个数值恒定不变，一般用 $c$ 表示，近似可认为是3.0×10⁸ m/s。空气中光的传播速度略小于真空中光的传播速度，在任何透明或半透明的介质比如玻璃和水中，光速会降低。按照这个速度，光一年大概可以传播9.46×10¹⁵ m，这个长度可以称作1光年。光年是一个距离单位，符号为ly。距离太阳最近的恒星比邻星，距离我们大约4.22 ly。

光的直线传播原理有一个利用就是小孔成像。用一个带有小孔的板遮挡在屏幕与物之间，屏幕上就会形成物的倒像，我们把这样的现象叫小孔成像。前后移动中间的板，像的大小也会随之发生变化。这种现象反映了光线直线传播的性质。中国战国时期的《墨子》一书叙述了小孔成像原理。（图3-18）

光与影

我们知道，光传播虽然不需要介质，但无法穿过不透明的物体。如果光在传播过程中被不透明物体阻隔，光就会因为被挡住而无法传播。这时不透明物体后就会找不到光，这就产生了影子。

那么光与影有什么关系呢？我们可以通过做实验来了解光与影存在的关系。

图3-19：光影关系简图。图中l为平面，O为光源，AB、CD、EF、GH分别是等高的不透明物体。AB、CD在O的同距离不同方向处，可见其分别的影子A'B、C'D等长但方向不同（在光源相反方向）。GH在AB更远距离，因此其影子G'H比A'B长。EF在光源O正下方，因此不见影子。

实验探究
探究光与影的关系：需要材料：一支较高的蜡烛、一支较矮的蜡烛（或其他任何柱形物体，但要比前面的蜡烛矮）、一张白纸。实验步骤：走进一间黑暗的房间，将白纸平铺在桌面上。将高蜡烛放在白纸正中，点燃。（注意安全！点蜡烛时需要注意。避免让蜡烛翻倒点燃白纸！）将矮蜡烛放在高蜡烛旁边（不点燃），任意改变矮蜡烛位置，观察矮蜡烛影子。观察：矮蜡烛的影子方向和高蜡烛在矮蜡烛的方向有什么关系？改变矮蜡烛和高蜡烛的距离，影子的长度改变吗？你能清楚地看到高蜡烛的影子吗？为什么？

我们发现，物体的影子方向总在光源的相反方向。物体离光源越远影子越长。如果物体垂直树立在光源正下，我们将难以发现它的影子。（图3-18）

日月食的奥秘

有时，太阳和月亮会突然消失不见。你知道这是怎么回事吗？这就是因为发生了日食或月食。

图3-20：2017年8月20日日全食，摄于美国怀俄明州克罗哈特。
图3-21：2009年7月22日日食的日偏食，摄于中国杭州。
图3-22：2010年1月15日日环食，摄于中国济南。
图3-23：月全食，当地时间2003年11月8日于美国密歇根州大急流市拍摄。
图3-24：月偏食。

实验探究
模拟日食与月食：需要材料：一只手电筒、一个乒乓球。需要你和其他两名同学合作。实验步骤：进入一间黑暗的房间。请你请的第一名同学拿着手电筒站在房间正中，打开手电筒，朝着某一方向。请你请的第二名同学手举乒乓球站在手电筒朝着的方向，使得手电筒照到光能被看见。你站在这一方向的更远处，调整自己的位置，直到乒乓球完全遮住手电筒。这时你还能看到手电筒吗？你站在“手电筒”与“乒乓球”之间，调整自己的位置，试图用自己的影子遮挡住手电筒照在乒乓球上的光。这时你还能看到乒乓球吗？思考：将手电筒比作太阳，乒乓球比作月球，自己比作地球。思考日食月食的成因。

当月亮运行到地球和太阳之间，月球会遮住太阳的光芒，这时落在月球影子中的人就无法看见太阳，这就产生了日食。如果月球完全遮住太阳，叫日全食（图3-20），如果月球只遮住太阳的一部分叫日偏食（图3-21），如果月球距离地球比较远而只能遮住月球的中心，这种情况就叫日环食（图3-22）。极罕见的情况还有连续发生日环食和日全食的全环食。（日食成因图解见图3-25。）

当地球运行到月球与太阳之间，月球有可能走入地球的影子内。由于月球本身不发光，因此人们无法看到月球，或看到月球呈现古铜色，这就是月食。如果整个月球完全进入地球阴影，叫月全食（图3-23），如果只有部分月球进入地球阴影，叫月偏食（图3-24）。（月食成因图解见图3-26。）

当日全食太阳完全被月球遮住时，我们可以直接用肉眼观测。但在其他时候比如日偏食时，太阳光度依然很强。这时我们可以使用专用观测镜，也可以使用小孔成像的方法，以一张白纸作为屏幕进行观测。

图3-25：日食成因图解。（月球遮挡了太阳的直射光线，导致日食出现。在本影区，直射阳光全部被月球遮挡，无法照到地球上出现日全食；在半影区，则仅有部分阳光被遮挡，出现日偏食。有时还会只有太阳中心被月球遮挡，出现日环食。）

图3-26：月食成因图解。（地球遮挡了太阳的直射光线，导致月食出现。在本影区，直射阳光全部被地球遮挡，无法照到月球上出现月全食；在半影区，则仅有部分阳光被遮挡，出现月偏食或半影月食。）

关于日月食的有趣事实，你知道吗？

日食只在朔日（农历初一）发生，月食只在望日（农历十五、十六或十七）发生。
在日全食时，太阳周围会出现一圈日冕，它在平常并不能看到。
月球表面有许多环形山，因此月球背面凹凸不平。日全食时，太阳通过凹凸不平的山谷射出来，形成许多明亮的光线或光点，好像一串珍珠。这被称为贝利珠现象。
理论上，日全食的最长时间不会超过7分31秒。但日全食有重要的科研价值。为了延长观测日食的时间，法国的一位科学家竟然称作超音速飞机，追赶月亮的影子，从而使观测日全食的时间延长到了74分钟。
如果太阳和地月运转轨道在同一平面上，就会每月朔日都发生日食，每月望日都发生月食。但它们并不在同一平面上——有一个小小的夹角。所以日月食并不常见。

课后自主学习

设计一个实验，证明光沿直线传播。
你听说过织女星（天琴座α）吗？查找关于它的资料，回答：我们所看到的织女星是它什么时候的样子？
搜集近期能观测到的日月食，按正确的方法进行观测，写观测报告。